Kable i przewody. Rodzaje i zastosowanie

Na początku warto zastanowić się jaka jest różnica pomiędzy kablem a przewodem. W języku potocznym oba słowa stosowane są zamiennie, jednak z technicznego punktu widzenia terminy te określają dwa zupełnie inne produkty, które mają odmienną budowę i przeznaczenie.

Przewody i kable

Przewód to element obwodu elektrycznego służący do przesyłu prądu bądź sygnałów do ściśle określonego punktu w instalacji elektrycznej lub do konkretnego elementu roboczego. Wykonany jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, takiego jak miedź czy aluminium i ma postać długiego drutu lub linki. Spotyka się też przewody wykonane z kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu skręconych ze sobą na stałe śrubowo drutów.

Niekiedy przewód ma postać tzw. szynoprzewodu, czyli sztywnej, płaskiej szyny prądowej o większych lub mniejszych wymiarach. W przypadku elementów elektronicznych ma postać ścieżek wytrawianych na płytce drukowanej. W energetyce i systemach automatyki przemysłowej szynoprzewody mogą mieć też formę kształtownika lub rury. Tego typy instalacje elektryczne często spotyka się w energetyce i górnictwie odkrywkowym. Płaskie szynoprzewody znajdują zastosowanie w rozdzielniach prądowych i szafach sterowniczych dostarczających zasilanie do systemów automatyki i maszyn produkcyjnych w fabryce.

Pojedyncze, przewodzące prąd elektryczny elementy, takie jak: drut, linka albo płaskownik szyny prądowej nazywane są żyłami. Przewód zwiera zawsze tylko jedną żyłę, która może być, ale nie musi, zaizolowana. Innymi słowy, przewód to prosty, jednożyłowy łącznik elektryczny, zaizolowany lub nie najprostszą możliwą izolacją, której zadaniem jest jedynie separowanie żyły pod względem elektrycznym. Obecnie w tym celu stosuje się różnego rodzaju tworzywa sztuczne, np. PVC.

Kabel, zgodnie z międzynarodową terminologią, jest produktem złożonym – składa się z jednego lub kilku (czasem nawet kilkunastu) przewodów (żył), które zazwyczaj są osobno izolowane i umieszczone we wspólnej osłonie lub powłoce. Przewody tworzące kabel mogą być ekranowane zarówno zbiorczo, jak i oddzielnie, a ich izolacja może zawierać elementy wzmacniające mechanicznie, takie jak oplot lub stalowe linki. Co więcej, w kablu poszczególne żyły mogą być również zatapiane we wspólnej powłoce. Innymi słowy, każdy kabel jest złożonym przewodem, natomiast nie każdy przewód jest kablem, właśnie ze względu na swoją najprostszą możliwą budowę.

Żyła to część kabla przeznaczona do przewodzenia prądu. Ze względu na kształt i budowę rozróżnia się następujące typy żył:

• okrągłe o przekroju kołowym,
• sektorowe, o kształcie będącym wycinkiem koła,
• płaskie,
• kwadratowe lub prostokątne,
• jednodrutowe składające się z pojedynczego drutu,
• wielodrutowe, wykonane przez skręcenie określonej liczby drutów.

Budowa żyły ma zasadniczy wpływ na giętkość kabla i przewodu. Żyła jest tym jest bardziej giętka z im większej liczby drutów o mniejszych średnicach się składa.

Warto zwrócić uwagę na stosowane często w elektroenergetyce niezbyt poprawne rozróżnienie kabli i przewodów. Przyjmuje się tutaj, że kabel jest przewodem do zastosowań zewnętrznych, poza budynkami – na przykład kable ziemne czy napowietrzne – natomiast przewody montowane są wyłącznie wewnątrz budynków, bez względu na ich złożoną budowę. Tak więc termin kabel może odnosić się do konstrukcji, a przewód do pełnionej funkcji.

Przegląd rodzajów kabli

Najlepiej ustandaryzowaną i opisaną w normach grupą kabli oraz przewodów są produkty stosowane w energetyce. Cechują je ściśle znormalizowane parametry dotyczące przewodności, oporności izolacji, odporności na warunki zewnętrzne, rodzaju wzmocnienia, oplotu, przekroju żył, użytych materiałów, a nawet kolorów osłon i izolacji.

Wymagania klientów w stosunku do przewodów czy kabli elektroenergetycznych, uzależnione są głównie od docelowej aplikacji (warunków stosowania wyboru). Jedne z najistotniejszych wymagań dotyczą parametrów mechanicznych, takich jak: minimalny promień gięcia, odporność na wielokrotne przeginanie czy największa siła rozciągająca, jaką można zastosować podczas instalacji i pracy. Dodatkowo pojawiają się wymagania dotyczące parametrów fizyko-chemicznych – odporność na warunki atmosferyczne (UV, temperatura, woda), odporność na oleje, paliwa, słoną wodę, kwasy czy zasady. Częstym wymaganiem instalacyjnym jest prosty montaż (szybka, automatyczna obróbka końcówek kabla). Coraz częściej pojawiają się również wymagania dotyczące trwałości wyrobu, definiowane jako czas życia kabla (w chwili obecnej wymaga się potwierdzenia czasu życia na poziomie średnio od 25 nawet do 60 lat).

Warto podkreślić, że kable energetyczne pochodzące od różnych producentów i spełniające te same kryteria nie powinny się niczym od siebie różnić – zarówno pod względem jakości wykonania, jak i funkcjonalności oraz przydatności do różnych zastosowań. W kablach i przewodach przemysłowych, w tym stosowanych w systemach automatyki i robotyki, wyróżnić można trzy podstawowe grupy produktów:

• kable i przewody sygnałowe,
• kable i przewody sterownicze,
• kable i przewody sygnalizacyjne.

Stosowane w przemyśle kable przemysłowe służą przede wszystkim do łączenia elementów instalacji w automatyce przemysłowej, czujników oraz podłączania silników i napędów. Poza kablami instalacyjnymi, w tej grupie wyróżnia się liczne rodzaje kabli specjalnych, np. takich jak giętkie i spiralne kable do transporterów, odbiorników ruchomych i suwnic, czy przewody o wzmocnionej konstrukcji mechanicznej, które są odporne na rozciąganie (zabezpieczenie przed zerwaniem), ścinanie (zabezpieczenie przed upadkiem ostrych elementów wykorzystywanych na produkcji) lub deptanie czy przejeżdżanie przez ciężkie pojazdy.

Podstawowymi przewodami stosowanymi w układach automatyki przemysłowej są elastyczne przewody sterownicze w izolacji PVC oraz PUR. Wyposażone są w żyły numerowane lub kolorowe i są wykonane z pojedynczym lub podwójnym ekranem, spełniając tym samym wymagania kompatybilności elektromagnetycznej. Niemal zawsze przewody takie są narażone na działanie szkodliwych substancji: olejów czy związków chemicznych, dlatego ich powłoka zewnętrzna charakteryzuje się wysoką odpornością na różnego rodzaje czynniki. Przewody te sprawdzają się w obwodach sterowania, pomiarowych oraz sygnalizacji. Znajdują również zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, maszynowym, na liniach technologicznych. Zgodnie z obowiązującymi normami dla zwiększenia bezpieczeństwa przewody produkowane są jako bezhalogenowe oraz niepodtrzymujące płomienia (samogasnące).

Urządzeniami wykonawczymi w układach automatyki przemysłowej są np. silniki elektryczne, których prędkość często jest sterowana przez falownik. Wszystkie współczesne przekształtniki prądu przemiennego pracują w oparciu o zasadę modulacji szerokości impulsu PWM. To powoduje występowanie w widmie harmonicznych napięcia zasilającego silnik poza pierwszą harmoniczną o regulowanej częstotliwości (zwykle w zakresie 0–60 Hz) pasm wyższych harmonicznych będących wielokrotnością podstawowej częstotliwości modulacji, która jest z reguły nastawiana jednym z parametrów konfiguracyjnych falownika. Dobierając właściwy kabel do połączenia falownika z silnikiem należy zwrócić uwagę na jakość i budowę żył przewodzących kabla, wpływ rodzaju kabla na wypadkowe obciążenie falownika, kompatybilność elektromagnetyczną kabla, odporności izolacji kabla na oddziaływanie impulsów napięcia o stromych zboczach.

Ważną grupę kabli przemysłowych stanowią kable wysokiej częstotliwości. Są to rożnego rodzaju przewody koncentryczne, czyli współosiowe o ustalonej impedancji falowej – najczęściej 50 Ω i 75 Ω. Są one dostępne w dwóch głównych kategoriach: grube kable niskostratne oraz cienkie kable elastyczne wykorzystywane do krótkich, kilku lub kilkunastometrowych połączeń, np. pomiędzy silnikiem a falownikiem. Wśród kabli wysokiej częstotliwości wiele dostępnych modeli to przewody specjalistyczne, gdzie wyróżnić można m.in.:

• kable wysokonapięciowe, kilkukrotnie izolowane,
• przewody spawalnicze i rozruchowe, o dużych przekrojach i odporności na ciepło,
• przewody iskrobezpieczne z certyfikacją ATEX,
• przewody do instalacji fotowoltaicznych, o dużych przekrojach, podwójnie izolowane i odporne na wpływ środowiska,
• przewody do pracy pod wodą,
• kable wstążkowe, tzw. taśmowe do magistral danych,
• przewody stosowane w medycynie i przemyśle spożywczym, przebadane pod kątem substancji szkodliwych i pozwalające na mycie gorącą wodą,
• przewody hybrydowe, zawierające w osłonie kable różnych typów i przeznaczenia, np. miedziane, optyczne, koncentryczne i sygnałowe.

Prowadniki kablowe Prowadniki kablowe, nazywane też e-prowadnikami to mechaniczne elementy służące do prowadzenia i ochrony przewodów zasilania, transmisji danych, kabli sygnałowych, a także węży hydraulicznych i pneumatycznych w ruchomych częściach maszyn i urządzeń. Prowadniki kablowe umożliwiają bezpieczne i efektywne przemieszczanie się kabli, zapobiegając ich splątaniu, ścieraniu, uszkodzeniom mechanicznym oraz redukują naprężenia, które mogą powstać podczas ruchu roboczego maszyny czy ramienia robota. Decydującym czynnikiem związanym z prowadnikami przewodów jest współpraca komponentów poruszających się względem siebie. Obejmują one przewody, węże, elementy podziału wewnętrznego, urządzenia do mocowania przewodów i rynny prowadzące. Najbardziej popularnym typem prowadnika kablowego są prowadniki otwarte, złożone z modułowych segmentów tworzących otwartą konstrukcję. Prowadniki te są często stosowane w aplikacjach, gdzie wymagany jest łatwy dostęp do kabli, takich jak maszyny CNC, roboty przemysłowe, suwnice czy systemy transportowe. Pozwalają na szybkie prowadzenie i wymianę kabli. Prowadniki zamknięte charakteryzują się w pełni zamkniętą strukturą, która zapewnia dodatkową ochronę kabli przed zewnętrznymi czynnikami, takimi jak pył, woda czy chemikalia. Są stosowane w środowiskach, gdzie kable narażone są na agresywne warunki pracy, np. w przemyśle ciężkim, chemicznym, spożywczym oraz w aplikacjach związanych z prowadzeniem kabli na zewnątrz budynków, np. w kopalniach odkrywkowych, czy maszynach budowlanych. Prowadnik kablowy składa się z szeregu powtarzalnych segmentów lub ogniw, które łączą się ze sobą, tworząc elastyczny łańcuch. Każdy segment prowadnika ma konstrukcję ramową z otworami, przez które prowadzone są kable. Ważnym elementem budowy prowadnika są przegrody wewnętrzne, które oddzielają poszczególne kable, zapobiegając ich splątaniu oraz gwarantując równomierne rozłożenie obciążenia. Kluczowym elementem prowadnika kablowego są jego łączniki i zawiasy, które umożliwiają elastyczny ruch całego łańcucha w jednym lub kilku kierunkach, zależnie od konstrukcji. Segmenty są zazwyczaj wykonane z wytrzymałych materiałów, takich jak poliamid, wzmocniony włóknem szklanym, zapewniając dobrą odporność na ścieranie, chemikalia i zmiany temperatury.

Przewody i kable przemysłowe

Na rynku znajdziemy wiele modeli kabli i przewodów przeznaczonych zarówno dla standardowych rozwiązań przemysłowych, jak również przygotowanych na indywidualne zamówienia klientów. Oferta dla przemysłu obejmuje m.in. kable sterownicze, kable do przesyłu danych, przewody bezhalogenowe, światłowody (formalnie jest to medium optyczne, a nie tradycyjny kabel, jednak zaliczane jest do przewodów sygnałowych stosowanych w teleinformatyce i automatyce przemysłowej), kable do transmisji danych, kable telekomunikacyjne, kable płaskie oraz przewody odporne na temperaturę. Przewody i kable dostępne są w różnych wykonaniach, w tym kable i przewody odporne na czynniki chemiczne, atmosferyczne, działanie temperatury czy promieniowania elektromagnetycznego.

Jednym z najczęściej stosowanych w systemach automatyki przewodów są elastyczne kable sterownicze osłonięte i zabezpieczone specjalną izolacją z PVC oraz osłoną wykonaną również z PVC, niekiedy z polietylenu PE, bądź polietylenu usieciowanego XLPE. Takie wykonanie gwarantuje doskonałą elastyczność niezbędną do prowadzenia sygnałów sterowania w systemach automatyki i na liniach produkcyjnych, nawet tam gdzie wymuszonych jest wiele zagięć i łuków. Coraz większą popularnością cieszą się kable sterownicze w osłonie poliuretanowej PUR, które charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, w tym odpornością na ścieranie, temperaturę i związki chemiczne. Ważną ich cechą jest odporność na chłodziwa maszynowe.

Ciekawą odmianą przewodów sterowniczych są kable bezhalogenowe i przewody samogasnące, które nie podtrzymują płomienia. Przewody tego typu mogą być używane wszędzie, tam gdzie w razie pożaru nie może wydobywać się dym. Charakteryzują się również zmniejszoną korozyjnością. Większość kabli stosowanych w automatyce ma numerowane lub kolorowe żyły. Występują w wykonaniu z pojedynczym lub podwójnym ekranem. Dzięki temu mogą spełniać wymagania kompatybilności elektromagnetycznej i chronią przed zakłóceniami i interferencjami elektromagnetycznymi EMI. Przewody te są stosowane w obwodach sterowania, obwodach pomiarowych oraz sygnalizacji zarówno w przemyśle metalurgicznym, maszynowym, jak również wykorzystuje się je przy budowie ciągów technologicznych. W strefach zagrożonych wybuchem, np. w przemyśle naftowym i gazowym stosuje się kable przeciwwybuchowe, które są zaprojektowane tak, aby minimalizować ryzyko iskrzenia i zapewniać bezpieczeństwo w ekstremalnych warunkach. Kable te muszą spełniać normy ATEX lub IECEx.

Większość kabli stosowanych w automatyce ma numerowane lub kolorowe żyły. Występują w wykonaniu z pojedynczym lub podwójnym ekranem, dzięki czemu spełniają wymagania kompatybilności elektromagnetycznej i chronią przed zakłóceniami i interferencjami elektromagnetycznymi EMI. Mają zastosowanie w obwodach sterowania, obwodach pomiarowych oraz sygnalizacji.

Przesyłanie danych

Do niedawna budowanie sieci przemysłowych i układanie okablowania dla automatyki przemysłowej nie było zadaniem zbyt skomplikowanym, co wynikało z faktu, że  w sieciach przesyłane były tylko niewielkie ilości danych. Oznacza to, że stosowane przewody nie musiały charakteryzować się dużą przepustowością. Tutaj niezwykle istotne jest odpowiednie dobranie przewodu, który zapewni wystarczająco dużą szybkość transmisji i odporność na mogące występować zakłócenia elektromagnetyczne. Przewody do powszechnie stosowanych w systemach automatyki szeregowych interfejsów RS-232, RS-422 i RS-485 muszą charakteryzować się odpowiednią tłumiennością oraz pojemnością.

Co ważne, odpowiednich przewodów wymagają też magistrale systemowe typu BUS, stosowane standardowo do szeregowej i równoległej pakietowej transmisji danych. Najczęściej wykorzystuje się tutaj skrętkę dwużyłową. Warto wspomnieć, że magistrale typu BUS służą obecnie przede wszystkim do zarządzania procesami przemysłowymi, są również wykorzystywane w przemyśle samochodowym (np. I2C). Różnice między sieciami BUS i tradycyjnymi systemami sterowania najlepiej obrazują przewody elektryczne wykorzystywane do ich budowy. W starszych, analogowych instalacjach automatyki i systemach sterowania stosowane były grube, trudne w prowadzeniu wielożyłowe kable o przekroju żył od 0,5 mm² do 1,5 mm². We współczesnych, cyfrowych instalacjach automatyki używane są przewody o przekrojach żył od 0,25 mm² do 0,5 mm². Dzięki temu znacznie łatwiej je prowadzić i układać w korytkach i trasach kablowych.

Obecnie okablowanie dla systemów automatyki obejmuje kable sterownicze, kable do przesyłu danych, w tym zgodne z protokołami Ethernet, Profinet czy Profibus, przewody bezhalogenowe, światłowody, kable telekomunikacyjne, kable płaskie oraz kable odporne na temperaturę. Przesyłane w sieciach przemysłowych dane są coraz bardziej złożone i wymagają szerszego pasma przenoszenia, niezbędnego do tego, aby transmitować różne typy cyfrowych informacji. Przemysłowe sieci systemów automatyki w coraz większym stopniu przypominają sieci IT i systemy telekomunikacyjne. Również stosowane w obu grupach rozwiązań przewody zaczynają się ujednolicać, a spinającym je ogniwem jest standard Ethernet.

Zwykle przemysłowy kabel Ethernet składa się z dwóch lub czterech par przewodów otoczonych, w odróżnieniu od standardowych kabli teleinformatycznych UTP kat. 5e i kat. 6, metalowym ekranem. Przewody te zabezpieczone są dodatkowo otuliną termoaktywną. Przewody Ethernet pozwalają na osiąganie krótkich czasów reakcji na zdarzenia, gwarantując jednocześnie możliwość łączenia ze sobą dużej liczby urządzeń oddalonych znacznie od siebie, lub nawet w innych lokalizacjach. Są wykonane z materiałów o podwyższonej elastyczności, odpornych na zginanie, skręcanie i negatywny wpływ środowiska. Dzięki temu system automatyki charakteryzuje się większym poziomem bezpieczeństwa i wyższą niezawodnością. W przewodach tych może być również prowadzone zasilanie (PoE – Power over Ethernet)

Sieci Ethernet odporne są na zakłócenia EMI i RFI, które mogą znacząco wpływać na efektywność pracy maszyn. Co ważne, bez problemu do tworzenia sieci można też wykorzystać standardową infrastrukturę i sprzęt IT, taki jak routery, przełączniki, koncentratory, dzięki czemu zmniejszyć można koszty instalacji, wszędzie tam gdzie nie ma specjalnych wymagań co do stosowania infrastruktury typowo przemysłowej. Nie bez znaczenia jest również fakt, że przemysłowe kable Ethernet pozwalają na stworzenie architektury P2P stanowiącej rodzaj sieci, w której następuje bezpośrednia wymiana informacji między urządzeniami bez konieczności przesyłania ich przez główne urządzenie kontrolujące.

Materiały na kable i przewody

Materiały używane do produkcji kabli i przewodów podzielić można na pięć głównych grup. Są to odpowiednio materiały:

• przewodzące
• izolacyjne
• osłonowe
• ekranujące
• wzmacniające.

W materiałach przewodzących ze względu na właściwości elektryczne najczęściej stosuje się miedź i aluminium. Miedź charakteryzuje się dużą przewodnością elektryczną (58 MS/m), małą rezystancją i dobrą wytrzymałością mechaniczną. Aluminium ma co prawda niższą przewodność (36 MS/m), ale jest lżejsze i tańsze, co sprawia, że jest stosowane tam, gdzie masa przewodu jest kluczowym czynnikiem, np. w liniach przesyłowych wysokiego napięcia lub gdzie kluczowym czynnikiem są koszty instalacji.

Do przesyłu sygnału o dużych częstotliwościach stosuje się kable wyprodukowane z tzw. miedzi beztlenowej. Miedź beztlenowa, nazywana też miedzią OFC (Oxygen-Free Copper) charakteryzuje się wyjątkowo wysoką czystością oraz minimalną zawartością tlenu, zwykle poniżej 0,001 %. Proces produkcji miedzi beztlenowej polega na wytapianiu i odlewie miedzi w atmosferze ochronnej, która zapobiega wchłanianiu tlenu. Dzięki temu uzyskuje się wyższą przewodność elektryczną i lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu do standardowej miedzi elektrolitycznej.

Miedź beztlenowa jest wykorzystywana przede wszystkim w kablach, gdzie kluczowe znaczenie ma maksymalna jakość przesyłanego sygnału oraz minimalizacja strat energetycznych. W przemyśle używana jest w wysokiej jakości kablach do transmisji danych oraz tam, gdzie wymagane są szczególnie wysokie parametry przewodności, m.in. w aparaturze pomiarowej, gdzie konieczne jest zminimalizowanie wszelkich strat sygnału oraz wyeliminowanie interferencji.

Izolacja przewodów i kabli pełni kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa elektrycznego i ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi. Jak wspomniano, do produkcji izolacji najczęściej stosuje się tworzywa sztuczne, takie jak polichlorek winylu (PVC), polietylen (PE), polipropylen (PP) oraz różne formy gumy, w tym gumę silikonową. Najczęściej wykorzystywanym na izolacje tworzywem jest PVC, ze względu na swoje właściwości ognioodporne i odporność na substancje chemiczne, ale jego zastosowanie jest ograniczone przez relatywnie niską temperaturę pracy. Polietylen i polipropylen charakteryzują się lepszymi właściwościami termicznymi i elektrycznymi, co sprawia, że są stosowane w bardziej wymagających aplikacjach. Z kolei guma silikonowa jest używana w aplikacjach wymagających wysokiej elastyczności i odporności na skrajną temperaturę.

Osłony kabli i przewodów są zaprojektowane pod kątem ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi, wpływem środowiska oraz zakłóceniami elektromagnetycznymi. Do produkcji osłon najczęściej stosuje się polimery, takie jak PVC, polietylen o wysokiej gęstości (HDPE), poliuretan (PUR) oraz materiały metalowe, takie jak stal lub aluminium. Również i tu najczęściej używanym tworzywem jest PVC, głównie ze względu na swoją odporność na korozję, promieniowanie UV oraz substancje chemiczne. HDPE i PUR charakteryzują się wyższą odpornością na ścieranie i działanie agresywnych chemikaliów, co sprawia, że są preferowane w trudnych warunkach przemysłowych. Osłony metalowe, takie jak stalowe lub aluminiowe oploty, są stosowane w aplikacjach wymagających zwiększonej ochrony mechanicznej oraz ekranowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Ekrany stosowane są wszędzie tam, gdzie niezbędna jest ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, które mogą wpływać na działanie urządzeń elektronicznych. W tym celu stosuje się głównie materiały metalowe, takie jak folia aluminiowa, oplot miedziany lub stalowy, oraz różne rodzaje materiałów kompozytowych. Folia aluminiowa jest lekka i elastyczna, co pozwala na łatwe stosowanie jej w przewodach o małej średnicy. Oplot miedziany zapewnia wysoką skuteczność ekranowania i jest stosowany w przewodach sygnałowych oraz w kablach do transmisji danych. Stalowy oplot jest wykorzystywany w aplikacjach, gdzie konieczna jest dodatkowa ochrona mechaniczna oraz ekranowanie przed silnymi polami elektromagnetycznymi.

W niektórych kablach, zwłaszcza tych przeznaczonych do użytku w trudnych warunkach, stosuje się dodatkowe materiały wzmacniające, które zwiększają wytrzymałość mechaniczną i odporność na uszkodzenia. Do tego celu wykorzystuje się stalowe linki, włókna aramidowe (np. Kevlar) oraz oploty z materiałów syntetycznych. Stalowe linki są stosowane w kablach, które muszą wytrzymywać duże obciążenia mechaniczne, takie jak te używane w liniach przesyłowych czy w górnictwie. Włókna aramidowe dzięki wysokiej wytrzymałości na rozciąganie stosowane są w kablach światłowodowych i innych kablach, gdzie wymagana jest niska masa przy jednoczesnym zachowaniu dużej wytrzymałości. Oploty z materiałów syntetycznych, takich jak nylon czy poliester, zapewniają dodatkową ochronę mechaniczną, zwiększając odporność na przetarcia i uszkodzenia mechaniczne.

Diagnostyka i konserwacja kabli przemysłowych

Każda instalacja elektryczna wymaga regularnych przeglądów, nadzoru i monitorowania stanu kabli. Regularne przeglądy obejmują przede wszystkim testy elektryczne oraz inspekcje wizualne, które pozwalają na ocenę stanu technicznego kabli i identyfikację obszarów wymagających interwencji. Wśród najczęściej stosowanych metod wymienić należy testy rezystancji izolacji, testy napięciowe oraz analizę współczynnika strat dielektrycznych. Testy rezystancji izolacji polegają na pomiarze oporu izolacji między przewodami a ziemią, co pozwala na ocenę jakości izolacji i wykrycie ewentualnych uszkodzeń. Testy napięciowe, zarówno prądem stałym, jak i zmiennym, przeprowadza się w celu sprawdzenia wytrzymałości dielektrycznej izolacji oraz odporności kabli na przebicia. Analiza współczynnika strat dielektrycznych umożliwia ocenę starzenia się izolacji i wykrywanie mikrouszkodzeń, które mogą prowadzić do awarii.

Kontrola wzrokowa stanowi najprostszą formę testów elektrycznych, obejmującą kompleksową ocenę systemów i komponentów elektrycznych bez fizycznego kontaktu. Często stanowi ona początkowy etap każdego procesu testowania i jest skuteczna w wykrywaniu oczywistych problemów, takich jak luźne połączenia, widoczne uszkodzenia lub oznaki przegrzania. Inspekcja wizualna jest jednak ograniczona do identyfikacji widocznych usterek i może być nieskuteczna w wykrywaniu ukrytych problemów, mimo że dostarcza cennych informacji.

Pewną odmianą inspekcji wizualnej są techniki termowizyjne. Metoda ta polega na monitorowaniu temperatury powierzchni kabli za pomocą kamer termowizyjnych, co umożliwia wykrycie anomalii termicznych, takich jak przegrzewanie się przewodów, które może wskazywać na przeciążenie, uszkodzenia mechaniczne lub degradację izolacji.

Istotnym elementem diagnostyki przewodów i kabli są tzw. testy ciągłości okablowania. Pozwalają one określić czy obwód elektryczny jest zamknięty i nieprzerwany. Podczas pomiaru rezystancji do obwodu wprowadzany jest niewielki prąd elektryczny. Niski pomiar rezystancji wskazuje, że obwód jest sprawny i nieprzerwany, natomiast wysoki odczyt oznacza obwód otwarty. Podczas elektrycznej kontroli przewodów i kabli nie można też zapomnieć o pomiarze poziomów napięcia w obwodzie. Pomiar ten jest niezbędny do określenia czy napięcia i natężenia prądów mieszczą się w dopuszczalnym zakresie. Testowanie napięcia pomaga zidentyfikować przepięcia lub zbyt niskie napięcia, które mogą potencjalnie uszkodzić sprzęt lub stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa.

Warto też wspomnieć o pomiarze wyładowań niezupełnych PD (Partial Discharge). Wykonywane są w sytuacji, gdy zachodzi konieczność wykrycia mikroskopijnych defektów w izolacji kabla, zanim przekształcą się w poważne uszkodzenia. Wyładowania niezupełne to niewielkie, lokalne wyładowania elektryczne, które mogą występować w obszarach o osłabionej izolacji, takich jak pęknięcia, pory czy zanieczyszczenia. Monitorowanie i analiza wyładowań niezupełnych pozwala na wczesne wykrycie degradacji izolacji, co umożliwia podjęcie odpowiednich działań konserwacyjnych przed wystąpieniem awarii.

W przypadku wykrycia uszkodzeń, konieczne jest przeprowadzenie odpowiednich działań naprawczych. W zależności od rodzaju uszkodzenia, metody naprawcze mogą obejmować naprawę izolacji, wymianę uszkodzonych odcinków kabla i złączy kablowych. Naprawa izolacji polega na nałożeniu nowych warstw izolacyjnych na uszkodzone obszary, co przywraca kabel do pełnej funkcjonalności. W praktyce przemysłowej, najczęściej jednak wymienia się całe uszkodzone odcinki kabla, co jest dużo wygodniejsze i znacznie szybsze. Wymiana kabli, mimo że sam kabel może być znacznie droższy niż naprawa jego izolacji, jest zazwyczaj też w końcowym rozrachunku znacznie tańsza, gdyż minimalizuje czas przestoju maszyny bądź całego zakładu produkcyjnego.

Przyszłość kablowej technologii

Ekologiczne materiały

Na koniec zastanówmy się z jakimi nowymi materiałami i technologiami kablowymi będziemy mieli do czynienia w najbliższej przyszłości. Przede wszystkim widoczny jest trend stosowania dużo bardziej ekologicznych materiałów izolacyjnych. Izolacje halogenowe, takie jak te wykonane z polichlorku winylu, czyli polwinitu, a które to zawierają chlor czy fluor, mogą w razie ich stopienia czy pożaru powodować emisję toksycznych i żrących gazów oraz gęstego dymu. Izolacje te zastępowane są rozwiązaniami bezhalogenowymi LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

Do największych zalet LSZH należy brak wydzielania się korozyjnych i toksycznych gazów pożarowych oraz mniejsza ilość dymu w razie ich zapalenia się. Izolacje bezhalogenowe są również na tyle odporne, że zapewniają utrzymanie podstawowych funkcji okablowania przez dłuższy czas, dzięki czemu nadają się one do zasilania systemów bezpieczeństwa. Dodatkowo, kable o obniżonej emisji dymu i niskiej zawartości halogenów są coraz częściej stosowane w miejscach o dużym zagrożeniu pożarowym, co zwiększa bezpieczeństwo instalacji i ogranicza negatywny wpływ na środowisko w przypadku awarii.

Zmiany dotyczące technologii kablowych skupiają się również na zastępowaniu dotychczasowych plastyfikatorów, plastyfikatorami, które nie zawierają ftalanów. Obecnie prowadzone są badania nad polimerami wysokotemperaturowymi, które mogą wytrzymywać ekstremalne warunki pracy, tj. wysoką temperaturę, agresywne środowisko chemiczne czy promieniowanie UV. Materiały te będą szczególnie ważne tam, gdzie standardowe izolacje mogą zawodzić, np. w przemyśle chemicznym, energetyce jądrowej czy przemyśle motoryzacyjnym. Dodatkowo, nowe materiały mogą również oferować lepsze właściwości termiczne i mechaniczne, co poprawi efektywność energetyczną kabli.

Przełomowym rozwiązaniem mogą okazać się nadprzewodniki wysokotemperaturowe. W przeciwieństwie do tradycyjnych przewodów miedzianych lub aluminiowych kable HTS (High Temperature Superconductor) charakteryzują się zerowym oporem, dzięki czemu mogą one przenosić bezstratnie dużą moc na duże odległości.

Modularne systemy kablowe

Modularne systemy kablowe umożliwiają elastyczną konfigurację i szybkie dostosowanie instalacji do zmieniających się potrzeb produkcyjnych. Modularność pozwala na łatwe dodawanie lub wymianę segmentów kabli bez konieczności przerywania pracy całego systemu. Takie rozwiązania są szczególnie korzystne w środowiskach przemysłowych, gdzie wymagane są częste zmiany układów maszyn i urządzeń. Modularne kable mogą również integrować różne funkcje, takie jak zasilanie, transmisja danych i sterowanie, co zmniejsza złożoność instalacji i koszty konserwacji.

Z kolei technologia samonaprawiających się kabli to innowacyjne podejście, które może znacząco przedłużyć żywotność instalacji przemysłowych. Kable te są wykonane z materiałów, które w odpowiedzi na uszkodzenia mechaniczne lub mikropęknięcia mogą samoczynnie się regenerować. Przykładem mogą być polimery z pamięcią kształtu lub materiały kompozytowe, rekonstruujące swoją strukturę na poziomie molekularnym w razie uszkodzenia. Ta technologia nie tylko zmniejsza potrzebę częstych interwencji serwisowych, ale także ogranicza ryzyko poważnych awarii, które mogłyby wyniknąć z niezauważonych uszkodzeń kabli.

Inteligentne kable przemysłowe

Oddzielnym zagadnieniem są inteligentne kable przemysłowe, sprzężone z infrastrukturą Przemysłowego Internetu Rzeczy. Wyposażone w czujniki i systemy monitorowania są zdolne do ciągłego sprawdzania własnego stanu, w tym temperatury, wilgotności, wibracji oraz innych parametrów, co pozwala na wczesne wykrywanie potencjalnych nieprawidłowości. Zintegrowane systemy komunikacyjne umożliwiają przekazywanie danych diagnostycznych w czasie rzeczywistym, dzięki czemu z wyprzedzeniem można podejmować odpowiednie działania konserwacyjne i zapobiegać awariom infrastruktury.

Nanotechnologia zwiększa odporność

Warto też zwrócić uwagę na nanotechnologie wykorzystywane w produkcji nowoczesnych kabli. Nanotechnologia pozwala bowiem tworzyć kable o dopasowanych do potrzeb właściwościach elektrycznych, mechanicznych i termicznych. Przykładem mogą być przewody wykonane z nanorurek węglowych, które charakteryzują się wysoką przewodnością oraz niewielką masą. Dzięki nanotechnologii możliwe jest również przygotowanie izolacji o zwiększonej odporności na przebicia, wyższej stabilności termicznej i zdolności do samooczyszczania. Materiały wzbogacone nanocząstkami mogą oferować lepszą ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Nanotechnologia, nadprzewodnictwo, inteligentne kable i technologie samonaprawiające się to tylko niektóre z trendów, które będą miały ogromny wpływ na rozwój branży. W miarę jak przemysł staje się coraz bardziej zautomatyzowany i cyfrowy, rośnie zapotrzebowanie na zaawansowane rozwiązania kablowe, które sprostają wyzwaniom przyszłości. Wprowadzenie tych nowatorskich technologii nie tylko poprawi niezawodność i efektywność energetyczną, ale także przyczyni się do zrównoważonego rozwoju całego sektora.

źródło: Automatyka 9/2024